鄭新崳

摘 要：木頭峪水源地的建成、運(yùn)行能夠有效緩解陜北佳縣的水資源供需矛盾。研究區(qū)內(nèi)第四系厚度多在10～15 m之間，所以，可以考慮采用管井開采方式開采區(qū)內(nèi)地下水。為了減少水源地的建設(shè)運(yùn)行成本，保證出水量比較大，在統(tǒng)計(jì)、分析了研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)地下水流數(shù)值模型。根據(jù)單井開采量的不同和開采井間距的不同，共設(shè)計(jì)出了9種可行的管井開采方案，并對(duì)比、分析了各可行方案的模擬結(jié)果。綜合考慮了出水量、降深等因素，確定的優(yōu)選方案為：開采井間距100 m，單井開采量700 m3/d，總開采量10 500 m3/d。

關(guān)鍵詞：二維數(shù)值模型；管井；方案設(shè)計(jì)；單井開采量

中圖分類號(hào)：P641.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.005

陜西省榆林市佳縣水資源嚴(yán)重短缺，水質(zhì)較差，而其境內(nèi)的木頭峪水源地坐落于黃河漫灘上，地表水可補(bǔ)給地下水資源，并且水力交替快，水質(zhì)良好。此水源地的建成、運(yùn)行能夠在很大程度上緩解研究區(qū)的水資源供需矛盾，還可以為佳縣境內(nèi)正在規(guī)劃建設(shè)的王家砭工業(yè)園區(qū)輸送數(shù)量可觀的優(yōu)質(zhì)水資源。為此，如何制訂合理的開采方案，降低水源地的建設(shè)運(yùn)行成本，同時(shí)，還要保證有較大的出水量和較高的供水保證率，這已經(jīng)成為了水源地建設(shè)前亟需解決的問題。

1 水文地質(zhì)條件

木頭峪水源地位于黃河河漫灘上，含水層為第四系沖積層和風(fēng)化基巖構(gòu)成的統(tǒng)一含水巖組。其中，第四系沖積層含水層巖性為砂卵礫石、中粗砂等，孔隙率大，與下部基巖含水層間無相對(duì)隔水層存在。該含水層受地表水的補(bǔ)給作用比較明顯，含水層富水性豐富，并且水質(zhì)較好，具有集中開采的價(jià)值，再加上地形地貌特征為其提供了較好的開采條件，可用于大規(guī)模開采。根據(jù)收集的水文地質(zhì)資料，研究區(qū)含水層厚度多在10～15 m，平均厚度為11.2 m，可以考慮采用傍河管井取水結(jié)構(gòu)開采地下水。

2 地下水流二維數(shù)值模型

研究區(qū)東部邊界為黃河，在未開采的條件下，地下水流場(chǎng)將由天然條件下的排泄改為接受地表水體反向補(bǔ)給，所以，將東部邊界概化為第三類河流邊界。北、西、南三邊界以黃土層為界，該層水平滲透性較差，概化為隔水邊界。研究區(qū)底部邊界為中、微風(fēng)化基巖，巖體比較完整，透水性較差，可將其概化為隔水邊界。研究區(qū)頂面為潛水面，存在大氣降水、蒸發(fā)等補(bǔ)給、排泄的作用，可概化為潛水面邊界。

研究區(qū)擬采用管井方式開采地下水，地下水流服從達(dá)西定律。由此可建立研究區(qū)地下水二維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

式（1）中：x，y為坐標(biāo)，m；h為地下水位，m；μ為潛水含水層給水度；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；t為時(shí)間，d；Kr為河流底質(zhì)層垂向滲透系數(shù)，m/d；Mr為河流底質(zhì)層厚度，m；n為研究區(qū)邊界外法線方向；Γ2為第二類邊界；D為此次計(jì)算區(qū)的范圍。

由上述數(shù)學(xué)模型可知，此次計(jì)算將采用國(guó)際上通用的地下水流數(shù)值模擬軟件Modflow模擬研究區(qū)地下水流。為了方便建立模型，將模型區(qū)沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°后采平行于X軸、Y軸等間距網(wǎng)格剖分，共剖分為186行、498列、68 305個(gè)活動(dòng)單元，代表面積約1.708 km2。

根據(jù)模型區(qū)1∶1萬數(shù)字高程模型（DEM）可獲得模型區(qū)地面標(biāo)高，如圖1所示。地面以下40 m為風(fēng)化帶范圍，即同一含水體的范圍，也是計(jì)算范圍。

圖1 計(jì)算區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）影像圖

根據(jù)含水層在空間上的分布特征，將木頭峪水源地劃分為2個(gè)參數(shù)區(qū)，并且根據(jù)區(qū)內(nèi)含水層參數(shù)計(jì)算相關(guān)結(jié)果。各水平向滲透系數(shù)分別為0.977 m/d和12.303 m/d，垂向滲透系數(shù)分別為4.127 m/d和6.000 m/d。

3 開采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)勘查資料可知，受含水層泥質(zhì)含量的影響，宜在研究區(qū)下游黃河岸邊布設(shè)開采井，所以，應(yīng)在該地段選擇合適的位置設(shè)置井排進(jìn)行開采。

3.1 設(shè)計(jì)原則

管井開采方案設(shè)計(jì)的原則是：抽水量盡可能大，研究區(qū)最大水位降深不得超過含水層厚度的1/2，供水保證率盡可能高，運(yùn)行管理成本盡可能低。

3.2 可行方案

該區(qū)管井開采擬采用定流量抽水，考慮到井間干擾會(huì)對(duì)各個(gè)開采井的水位降深產(chǎn)生影響，所以，根據(jù)開采井?dāng)?shù)量、井間距設(shè)計(jì)了不同的開采方案。井位置布設(shè)圖如圖2所示。

根據(jù)富水性等級(jí)可以確定不同地段開采井的合理抽水量，研究區(qū)的富水性分區(qū)如圖3所示。對(duì)比圖2和圖3可知，布井地段基本屬于同一個(gè)富水性等級(jí)，所以，可以將布設(shè)井抽水量統(tǒng)一分類設(shè)計(jì)，參照含水層滲透性特征，設(shè)計(jì)了600 m3/d、700 m3/d和800 m3/d共3種單井開采量。

圖2 木頭峪管井布井位置圖

圖3 木頭峪水源地富水性分區(qū)圖

由此可知，按井間距的不同和單井開采量的不同設(shè)計(jì)了9種開采方案，如表1所示。

表1 木頭峪水源地管井設(shè)計(jì)方案（開采量單位：m3/d）

3.3 方案優(yōu)選

將各個(gè)可行方案在平水期進(jìn)行穩(wěn)定流模擬，得到了各開采方案下的最大降深和總出水量，如圖4所示。

圖4 各方案最大降深與總開采量關(guān)系圖

由計(jì)算結(jié)果可知，各開采井水位降深隨著總開采量的增大而增大，小單井開采量方案比較大，井開采量方案降深幅度小，這說明適宜采用多數(shù)量的小單井開采量方案。所以，采取方案8開采研究區(qū)內(nèi)地下水可得到比較好的結(jié)果，即采用M2、M4、M6、M8…M40共15眼開采井，單井開采量為700 m3/d，總開采量為10 500 m3/d。在推薦方案的作用下，地下水穩(wěn)定降深場(chǎng)如圖5所示。

以上都是在平水期進(jìn)行穩(wěn)定流模擬的結(jié)果，并未考慮枯水期地表水位下降對(duì)開采方案造成的影響。所以，采用管井開采的非穩(wěn)定流數(shù)值模型模擬方案8在枯水期地下水流場(chǎng)的特征，

模擬期為60 d。將平水期模擬的穩(wěn)定流場(chǎng)作為該模擬的初始流場(chǎng)，地表水邊線參照枯水期監(jiān)測(cè)資料確定。將預(yù)定方案代入非穩(wěn)定流計(jì)算模型，模擬結(jié)果如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在枯水期，該方案抽水降深雖然比平水期穩(wěn)定降深有一定的增大，如圖6所示，但是，在不發(fā)生大的水位降深的情況下，仍能達(dá)到預(yù)定的開采規(guī)模。這表明，方案8在枯水期可以滿足開采要求。

圖5 平水期管井推薦方案末刻降深圖

綜合考慮管井出水量、降深等因素，當(dāng)采用管井開采區(qū)內(nèi)地下水時(shí)，在木頭峪模型區(qū)推薦采用井間距為100 m，總井?dāng)?shù)15眼，單井開采量為700 m3/d的開采方案，建議開采量為10 500 m3/d。此時(shí)，雖然最大降深比平水期有所增加，但是，僅略微大于含水層厚度的1/2（含水層厚11.2 m），并且枯水期持續(xù)時(shí)間比較短，短期內(nèi)以10 500 m3/d的開采強(qiáng)度開采不會(huì)引發(fā)明顯的環(huán)境地質(zhì)問題。

4 結(jié)論

在對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行比較詳細(xì)的分析的基礎(chǔ)上，建立了研究區(qū)的地下水流二維數(shù)值模型。根據(jù)單井開采量的不同和開采井間距的不同，共設(shè)計(jì)了9種可行的管井開采方案，并分別在平水期和枯水期模擬了地下水流二維數(shù)值。對(duì)比、分析了各可行方案的模擬結(jié)果，綜合考慮了出水量、降深等因素，確定了優(yōu)選方案作為設(shè)計(jì)開采方案。

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